Загальна характеристика сенсорних систем

Для виживання та адекватної реакції на оточуючий світ у вищих організмів виникли структури, які дозволяють сприймати все, що відбувається біля них, і швидко та кваліфіковано відповідати на ці зміни. Такими структурами є аналізатори, або, як їх ще називають, сенсорні системи.

За І. П. Павловим, аналізатор – це сукупність анатомо-фізіологічних периферичних та центральних нервових структур, які сприймають і аналізують інформацію про дію на організм різноманітних подразників. Сенсорні системи беруть участь в адекватній реакції організму на зміни умов внутрішнього середовища організму, відіграють важливу роль у підтриманні його сталості – гомеостазу, беруть участь у формуванні відчуттів, уявлень про оточуючий світ, явища і предмети.

До складу сенсорних систем організму входять: зоровий, слуховий, нюховий, смаковий, вестибулярний, соматосенсорний (шкірний і пропріоцептивний) та інтероцептивний аналізатори.

Згідно з електрофізіологічними дослідженнями, аналізатори – це частина нервової системи, що складається із трьох елементів:

■ сприймаючої частини – рецепторів, які володіють надзвичайно високою чутливістю до адекватних подразників;

■ провідної системи – нервових клітин і волокон;

■ мозкового центру – чутливих зон головного мозку, де відбуваються аналіз і інтеграція отриманої інформації, розпізнавання образів.

Структурна і функціональна організація аналізаторів

За Тамаром (1976), аналізаторам притаманні структурна і функціональна організації.

До структурної організації належать такі ознаки:

Багатошаровість, або багаторівневість. Перший рівень нервових клітин пов’язаний з рецепторами, останній – з нейронами асоціативних зон кори великих півкуль. Між першим і останнім рівнями (наприклад, спінальним, стовбуровим, таламічним та іншими), які зв’язані провідними шляхами, утвореними аксонами їх нейронів, знаходяться структури, що беруть участь не тільки в проведенні, а й у переробці інформації. Завдяки багаторівневості проводиться ретельний відбір інформації, що надходить в організм.

Багатоканальність – кожний шар або рівень нервових клітин має численні (десятки, сотні тисяч і навіть мільйони) зв’язки з наступним рівнем. Завдяки цьому інформація з нижнього рівня надійно і швидко передається до більш високого.

Концентрування чи розсіювання інформації, або феномен сенсорних лійок. В основі цього принципу лежить неоднакова кількість клітин у різних шарах. Наприклад, фоторецепторів у нервовому шарі сітківки 130 млн, а на виході – в гангліонарних клітинах – тільки 1 млн 300 тис, тобто спостерігається звужуюча лійка. У зоровій корі – розширююча лійка переходить у звужуючу, а за нею знову в розширюючу. У нюховому аналізаторі – розширююча. Якщо оцінювати всі аналізатори, то в переважній більшості містяться розширюючі лійки, які забезпечують надходження максимальної інформації в центр. Звужуючі лійки – запобігають надходженню надлишку інформації.

Диференціація аналізаторів характеризується наявністю нейронів з різною активністю в одному шарі чи на одному рівні. Вона поділяється на диференціацію як по вертикалі, так і по горизонталі і по-різному переробляє інформацію, що поступає в центр і від нього.

До функціональної організації відносяться такі складові:

Виявлення чи сприйняття сигналів, яке здійснююється рецепторами, розміщеними в різних органах і тканинах організму.

Передача та перетворення інформації. Хімічне чи механічне подразнення рецептора перетворюється у ньому в нервовий імпульс, який передається до центру. По ходу передачі інформації відбувається її часова та просторова трансформація. Часові перетворення проявляються в основному у стисненні імпульсів в окремі пачки, більш чи менш тривалі за часом і з різними інтервалами між цими пачками. Просторові перетворення характеризуються викривленням геометричних пропорцій в корі головного мозку.

Кодування інформації здійснюється двоїстим кодом – залпи імпульсів змінюються їх затуханням. Таке кодування виявлено у всіх хребетних, в тому числі і у людини, і вважається найбільш надійним.

Детектування сигналів визначається вибірковим аналізом ознак подразника за їх біологічним значенням. Проводять такий аналіз нейрони-детектори, реагуючи на певний імпульс. Необхідно зазначити, що по мірі наближення до кори головного мозку детектори ускладнюються.

Розпізнавання образів – найскладніший процес в аналізаторі. Він полягає в класифікації образу, його аналізі. Це здійснюється вищими нейронами-детекторами, збудження яких народжує появу образу – запах, колір, голос тощо. Утворення образу зв’язано із взаємодією двох нейронних механізмів – збудливого і гальмівного, у яких задіяні нейронні ансамблі та кіркові колонки мозку. В останній час висловлюється думка, що розпізнавання образів пов’язане з механізмами запам’ятовування і тривалої пам’яті.

Таким чином, за морфологічно-функціональними ознаками у будові сенсорної системи виділяють такі складові: 1) канали передачі інформації і 2) рівні організації (рис. 7.1).

Канали передачі інформації – це провідні шляхи, що передають інформацію від рецепторів на різні рівні центральної нервової системи, аж до центрів кори головного мозку. Зазвичай інформація передається з обох боків, тому виділяють правий і лівий канали.

Виділяють такі канали передачі:

Рівні організації – це структури периферичних та центральних відділів ЦНС, де здійснюється обробка інформації, наслідком чого є формування відчуття або сприйняття образу за участю центрів кори головного мозку.

Виділяють такі рівні організації сенсорної системи:

1. Рецепторний рівень – це первинний аналіз інформації, що здійснюється у рецепторах.

Класифікація рецепторів може здійснюватись за такими ознаками:

■ джерелом сенсорної інформації;

■ видом адекватного подразника, що сприймається рецептором (рис. 7.2).

За морфофункціональними властивостями рецептори діляться на первинно- і вторинночутливі.

До первинночутливих рецепторів відносяться нюхові, температурні, тактильні та пропріорецептори, до вторинночутливих – смакові, слухові, зорові, вестибулярні.

За місцем розміщення рецептори поділяються на:

■ екстерорецептори – розташовані у шкірі та слизових оболонках;

■ інтерорецептори – розміщені у внутрішніх органах, до яких відносять барорецептори кровоносних судин, рецептори розтягування легень, осморецептори гіпоталамуса та інші;

■ пропріорецептори – знаходяться в структурах опорно-рухової системи – м’язах, сухожиллях та суглобах.

За видом адекватного подразника, який сприймають рецептори, їх поділяють на:

■ механорецептори, до яких належать тільця Фатера- Пачіні, м’язові веретена, рецептори сухожиль і суглобів та інші; слухові і вестибулярні рецептори, що сприймають механічну деформацію, або зміщення структур;

РИС. 7.1. Канали передачі інформації та рівні організації сенсорних систем

РИС. 7.2. Класифікація рецепторів за трьома ознаками: адекватного подразника, що сприймається рецептором: 1 – морфологічно-функціональною; 2 – джерелом інформації; 3 – видом

■ хеморецептори – смакові, нюхові, що сприймають різноманітні хімічні речовини;

■ терморецептори – теплові та холодові, що сприймають зміни рівня температури;

■ фоторецептори – палички і колбочки, що сприймають електромагнітні хвилі світлового діапазону.

При дії подразника на рецептори в них змінюється проникність мембрани для іонів, наслідком чого є виникнення деполяризаційного або гіперполяризаційного рецепторного потенціалу (РП). Чим більша сила подразника, тим більша величина рецепторного потенціалу (рис. 7.3).

Завдяки формуванню рецепторного потенціалу згідно з його величиною відбувається передача інформації на мембрану аферентного нервового волокна, де здійснюється генерація серії ПД залежно від сили подразника (рис. 7.4).

2. Спінально-стовбурний рівень – це обробка інформації, що надходить по аферентних нервових волокнах до спінальних центрів або центрів стовбура мозку (рис. 7.5), де здійснюється синаптичне перемикання першого аферентного нейрона на другий. Другий нейрон, що отримує інформацію, розташований або у задніх рогах спинного мозку, або у сенсорних ядрах стовбура мозку. Аферентні сигнали або підсилюються, або пригнічуються залежно від виду нейронних ланцюгів – збуджувальних чи гальмівних, конвергентних чи дивергентних (розділ 2). На рівні стовбура мозку інформація також передається до ретикулярної формації (РФ).

Другий нейрон передає інформацію до ядер таламуса. Аксони цих нейронів, як правило, перетинають

РИС. 7.3. Залежність амплітуди деполяризаційного рецепторного потенціалу (РП) від сили подразника. 1 – 0,28; 2 – 0.5 В; 3 – 0,758

РИС. 7.4. Залежність частоти генерації ПД аферентним нервовим волокном від сили подразника рецепторів

РИС. 7.5. Висхідний чутливий шлях від рецепторів шкіри

серединну лінію і передають інформацію до ядер таламуса протилежної сторони.

• 3. Таламічний рівень – це обробка інформації на рівні ядер таламуса. Таламус має соматотопічну організацію. Сенсорна інформація надходить до сенсорних перемикаючих ядер таламуса, а від них – до сенсорних зон кори головного мозку. На рівні таламуса інформація від усіх його ядер передається до його асоціативних ядер, які надсилають інформацію до асоціативних зон кори.
• 4. Кірковий рівень представлений проекційними (первинними чи специфічними) і асоціативними (вторинними, третинними) ділянками.

Проекційна ділянка кожної сенсорної системи є центром певного виду чутливості, де формується відчуття. Вона складається переважно з моносенсорних клітин, які отримують інформацію від специфічних ядер таламуса певного типу по специфічному шляху. Проекційна ділянка забезпечує сприйняття фізичних параметрів подразника. У проекційних ділянках виявлена топічна організація (topos – місце), тобто впорядковане розташування проекцій від рецепторів.

Асоціативні ділянки складаються переважно з полісенсорних клітин, які отримують інформацію не від рецепторів, а від асоціативних ядер таламуса. Завдяки цьому асоціативні ділянки забезпечують оцінювання біологічного значення подразника та джерела виникнення стимулу.

У кірковому відділі кожної сенсорної системи відбуваються процеси аналізу та синтезу, розпізнавання образів, формування уявлень, детекція (виділення) ознак і організація процесів запам’ятовування важливої інформації.

§ 41. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА СЕНСОРНИХ СИСТЕМ

Інформація (від лат. informatio – роз’яснення) – відомості про навколишній світ. Організми отримують її із зовнішнього середовища для того, щоб відповідно реагувати та пристосовуватися до мінливих умов середовища, для орієнтації в просторі тощо. Жива природа в процесі еволюції створила вражаючу різноманітність приймачів інформації. Якою буває інформація зовнішнього середовища?

ЗМІСТ

Яка роль сенсорних систем у забезпеченні зв’язку організму із зовнішнім середовищем?

Сприйняття інформації є обов’язковою умовою життєдіяльності будь-якого живого організму. Навіть найпростіші одноклітинні організми (бактерії чи амеби) постійно отримують і використовують інформацію для вибору найбільш сприятливих умов існування. У людини сприйняття інформації забезпечують 5 основних видів чуття: зір, слух, нюх, смак і дотик. Окрім того, людина відчуває ще температуру, гравітацію, біль, рухи, спрагу, голод, тиск, наповнення, об’єм тощо.

Як сприймається інформація в організмі людини? Зовнішні й внутрішні рецептори нашого тіла сприймають дію різних подразників і перетворюють їх на нервові імпульси. По нервових волокнах ці сигнали надходять до кори великого мозку, де аналізуються. Таким чином, сприйняття інформації відбувається за участю цілої системи структур, що утворюють сенсорні системи, або аналізатори.

СЕНСОРНІ СИСТЕМИ (від лат. sensus – відчуття) — сукупність структур, які отримують, передають та аналізують інформацію із зовнішнього та внутрішнього середовищ. У людини розрізняють сенсорні системи зору, слуху, смаку, нюху, дотику, температури, болю, рівноваги та руху.

Іл. 92. Сенсорні системи людини

Завдяки діяльності сенсорних систем у людини формуються відчуття, сприйняття, уявлення, мислення, свідомість, набувається досвід, розвивається розум. Сенсорна інформація, яку ми отримуємо, має значення для організації процесів життєдіяльності, поведінки, є важливим чинником пристосування та розвитку. Якщо обмежити надходження інформації, то спостерігатимуться порушення фізичного й психічного розвитку, інтелекту взагалі. Для організації повноцінного зв’язку з навколишнім середовищем необхідна спільна діяльність усіх сенсорних систем організму людини.

Отже, сенсорні системи забезпечують отримання інформації про впливи різних подразників, що є основою для організації життєдіяльності та пристосованості організму людини.

Яка будова сенсорних систем?

Будь-яка сенсорна система складається з трьох відділів: периферичного, провідникового та центрального.

Периферичний відділ представлений рецепторами. Рецептори (від лат. receptor – той, що приймає) – чутливі нервові закінчення або клітини, що сприймають енергію подразнення й перетворюють її на нервові імпульси. За розташуванням розрізняють зовнішні (наприклад, рецептори шкіри) та внутрішні (наприклад, рецептори м’язів) рецептори. А залежно від природи подразнення ці чутливі утвори поділяють на світлові рецептори (сприймають енергію світла), слухові рецептори (сприймають звукові коливання), нюхові рецептори (сприймають дію летких хімічних сполук), смакові рецептори (сприймають дію розчинених хімічних сполук), дотикові рецептори (сприймають механічну дію), температурні рецептори (сприймають тепло й холод), больові рецептори (сприймають будь-який надмірний вплив на організм). Зазвичай будь-який рецептор сприймає тільки «свій» відповідний подразник, до якого має високу чутливість.

Іл. 93. Види рецепторів: 1 – світлові рецептори; 2 – слухові рецептори; 3 – нюхові рецептори; 4 – смакові рецептори; 5 – дотикові рецептори

Провідниковий відділ складається із чутливих волокон, що передають закодовані сигнали до ЦНС. Цей шлях утворюють нейрони, в яких інформація опрацьовується та виділяється найбільш важлива. Окремі чутливі волокна нейронів утворюють чутливі нерви (наприклад, зорові, нюхові) або входять до складу змішаних (наприклад, спинномозкові, язикоглотковий, присінково-завитковий). Швидкість проведення збудження по таких нервах дуже висока – близько 120 м/с.

Центральний відділ сенсорних систем утворюють чутливі зони кори великого мозку, де відбуваються аналіз і синтез інформації. Ці зони мають певне розташування: рухова зона й зона внутрішніх органів – у лобовій частці, зона шкірно-м’язової чутливості – у тім’яній частці, зорова зона – у потиличній частці півкуль, слухова, смакова й нюхова зони – у скроневій частці. Саме в цих ділянках кори формуються відповідні зорові, слухові, нюхові та інші відчуття.

Отже, отримання, проведення й аналіз інформації із середовища здійснюють периферичний, провідниковий та центральний відділи сенсорних систем.

Які властивості сенсорних систем людини?

Загальною властивістю сенсорних систем є їхня адаптація – здатність пристосовувати рівень своєї чутливості під дією подразника. Пригадайте, як очі поступово звикають до темряви. Біологічна роль адаптації полягає в зменшенні чи усуненні неважливої інформації. Окрім цієї властивості можна виокремити й інші:

– сенсорні системи спеціалізуються на сприйнятті певного виду подразнень і формуванні специфічних відчуттів;

– сенсорні системи (крім больової) під дією тривалих вправ здатні підвищувати свої можливості, тобто вправляння. Так тренуються відчуття слуху в музикантів, відчуття кольору в художників;

– для сенсорних систем характерна взаємодія, яка реалізується через взаємодію відчуттів на рівні кори й підкірки. Так, при яскравому світлі краще відчувається смак їжі та ін.;

– сенсорні системи здатні до компенсації функцій, тобто відшкодування функції однієї сенсорної системи за рахунок якісної перебудови або посиленого використання збережених функцій інших сенсорних систем. Так, у людей, які втратили зір, поліпшуються слух і дотикова чутливість.

Отже, загальними властивостями сенсорних систем є адаптація, спеціалізація, вправляння, взаємодія та компенсація функцій.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Навчаємося пізнавати

Самостійна робота з таблицею

За допомогою тексту й ілюстрації параграфа визначте будову основних сенсорних систем людини і заповніть таблицю.

Сенсорна система

Периферичний відділ

Провідниковий відділ

Центральний відділ